(57)【要約】 【課題】  ＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子において、充分な高寿命性を確保しつつ素子抵抗を低減することを可能とする。【解決手段】  半導体レーザ素子１は、第１導電型半導体基板１０の上面に、第１導電型クラッド層２０と量子井戸活性層３２と第２導電型クラッド層５１、５４と第２導電型コンタクト層６０と第２導電型電極７２とを順次有し、第１導電型クラッド層２０の下方に第１導電型電極７１を有するＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子であり、第１導電型クラッド層２０と量子井戸活性層３２との間及び／又は量子井戸活性層３２と第２導電型クラッド層５１との間に、少なくとも一部がキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含む光ガイド層３１、３３が設けられている。【選択図】  図１
2006269568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第１導電型クラッド層と量子井戸活性層と第２導電型クラッド層と第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前第１導電型クラッド層の下方に第１導電型電極を有するＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子において、
前記第１導電型クラッド層と前記量子井戸活性層との間に、前記第１導電型クラッド層よりもバンドギャップの小さい光ガイド層が設けられ、該光ガイド層の少なくとも一部がキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第１導電型クラッド層と量子井戸活性層と第２導電型クラッド層と第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前記第１導電型クラッド層の下方に第１導電型電極を有するＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子において、
前記量子井戸活性層と前記第２導電型クラッド層との間に、前記量子井戸活性層よりもバンドギャップの大きい光ガイド層が設けられ、該光ガイド層の少なくとも一部がキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第１導電型がｎ型、前記第２導電型がｐ型、前記ドーパントがＺｎであり、前記光ガイド層における前記ドーパントの含有部分のキャリア濃度が２．０×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第１導電型がｎ型、前記第２導電型がｐ型、前記ドーパントがｐ型ドーパントであり、前記第１導電型クラッド層の少なくとも一部が、キャリア濃度２．０×１０１６〜２．０×１０１８ｃｍ−３の前記ドーパントを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ素子に係り、特にＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブロードバンド時代のホームネットワーク用途や産業用の各種信号伝達用途等として、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）が注目されている。現状のＰＯＦ通信速度は１００Ｍｂｐｓ程度であるが、伝送情報量の増大を図るべく、より一層の高速化が要求されてきている。ＰＯＦ用光源としては、ＰＯＦの低損失波長域である波長６５０ｎｍ帯のＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子が考えられている。
【０００３】
特許文献１及び２には、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子の高速変調性を向上するべく、半導体活性層上に設けられた第１のｐ型クラッド層と、その上に設けられたｎ型電流阻止層及びその電流狭窄用開口部内に形成された第２のｐ型クラッド層との逆バイアス構造を有する電流狭窄部を有すると共に、この電流狭窄部上にｐ型コンタクト層を配した素子構造が提案されている。半導体活性層は例えば、第１の光ガイド層／ｉ型多重量子井戸活性層／第２の光ガイド層の積層構造により構成される。
【０００４】
ＩｎＡｌＧａＰ系材料はＡｌＧａＡｓ系材料等のＡｓ系材料に比してｐ型ドーパントであるＺｎの拡散係数が大きく、ｐ型クラッド層の結晶成長中若しくはその後の熱処理プロセスにおいてｐ型ドーパントが結晶中を拡散しやすい傾向にある。ｐ型ドーパントが半導体活性層まで拡散してしまうと、非発光再結合中心が生じて素子特性の劣化（低寿命化）の原因となり得る。特許文献１では、第１のｐ型クラッド層を成膜する際に、その半導体活性層の近傍部分をノンド−プ又はキャリア濃度が低い拡散防止層としておくことで、ｐ型ドーパントの半導体活性層への拡散を防止することが提案されている。
【０００５】
また、ＩｎＡｌＧａＰ系材料はＡｌＧａＡｓ系材料等に比して電気抵抗や熱抵抗が大きく、駆動電圧や動作時の発熱が大きくなる傾向にある。特許文献２では、ｐ型クラッド層に対して高濃度ドーピングを行うことで素子抵抗を下げることが提案されている。
【０００６】
同じＩｎＡｌＧａＰ系材料を用いる光ガイド層については、以下の理由によりドーピングを行う提案はなされていない。特許文献２に記載されているように、従来は、（１）ノンドープの光ガイド層が量子井戸活性層へのドーパントの拡散を防止する層として機能する、換言すれば光ガイド層にドーピングを行うと光ガイド層による量子井戸活性層へのドーパントの拡散防止機能が低減すると考えられている。また、同文献に記載されているように、従来は、（２）ｐ型クラッド層から光ガイド層にドーパントが拡散して光ガイド層内のキャリア濃度が高くなると、ｐ型クラッド層に比べて導波路内の光が大きな割合で分布する光ガイド層では拡散したドーパントによって形成される欠陥が光の再結合中心となり、素子特性が劣化すると考えられている。上記（１）及び（２）の理由から、従来は光ガイド層内のキャリア濃度が高くなる程素子特性が劣化する（低寿命化する）と考えられている。
【特許文献１】特開平５-２９１６８６号公報
【特許文献２】特開２０００−２８６５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ｐ型クラッド層に対して高濃度ドーピングを行う特許文献２に記載の提案は、素子抵抗の改善に有効ではあるが充分ではなく、より一層の素子抵抗の改善が求められている。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、充分な高寿命性を確保しつつ、素子抵抗（電気抵抗や熱抵抗）を低減することが可能なＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、ＰＯＦ通信用として想定される動作出力５ｍＷ程度の比較的低出力の動作条件であれば、充分な高寿命性を確保しつつＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子の光ガイド層にドーピングを実施でき、素子抵抗を低減できることを見出した。上記の如く、従来は光ガイド層のキャリア濃度が高くなる程素子特性が劣化する（低寿命化する）とされていたが、本発明者は、ある範囲内のキャリア濃度であれば、従来の常識とは逆に光ガイド層にドーピングを実施した方が素子寿命が延びることを見出した。
【００１０】
本発明者は、光ガイド層に意図的にドーピングを行う場合（本発明に相当）と、クラッド層から光ガイド層にドーパントが拡散する場合（これは特許文献２に問題として述べられている）とは、素子寿命特性が異なる挙動を示すことを見出している。この理由は定かではないが、以下のように推察される。
【００１１】
結晶内にドーパントを添加すると、殆どのドーパントは結晶格子内に収まりキャリア化するが一部のドーパントは格子に収まらずキャリアとして不活性な格子間原子となる。この格子間原子は、本来原子が収まるべき位置以外に存在しているので結晶欠陥の要因となり得る。また格子間原子は不安定な状態にあるので、熱が加わると低濃度領域に向かって拡散しやすく、半導体活性層内に進入した格子間原子は欠陥を誘発し非発光再結合中心を形成する。
【００１２】
本発明者は、同じ濃度のドーパントが光ガイド層内に存在していても、意図的に添加したドーパントと拡散により進入したドーパントとでは格子間原子の量の違いによって非発光再結合中心の発生割合が異なり、素子寿命特性に違いが生じると推察している。そして、意図的に光ガイド層にドーピングを行う本発明では、素子寿命の低下に繋がる非発光再結合中心の発生割合がそれ程大きくなく、光ガイド層へのドーピングによる素子抵抗の低減によって駆動電圧や発熱等が抑えられ、結果的に高寿命に繋がっていると推察している。
【００１３】
本発明の第１の半導体レーザ素子は、第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第１導電型クラッド層と量子井戸活性層と第２導電型クラッド層と第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前記第１導電型クラッド層の下方に第１導電型電極を有するＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子において、前記第１導電型クラッド層と前記量子井戸活性層との間に、前記第１導電型クラッド層よりもバンドギャップの小さい光ガイド層が設けられ、該光ガイド層の少なくとも一部がキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含むことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第２の半導体レーザ素子は、第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第１導電型クラッド層と量子井戸活性層と第２導電型クラッド層と第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前記第１導電型クラッド層の下方に第１導電型電極を有するＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子において、前記量子井戸活性層と前記第２導電型クラッド層との間に、前記量子井戸活性層よりもバンドギャップの大きい光ガイド層が設けられ、該光ガイド層の少なくとも一部がキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含むことを特徴とするものである。
【００１５】
ドーピングを実施していない従来の光ガイド層ではキャリア濃度は５．０×１０１６ｃｍ−３以下（現状の検出限界以下）である。これに対して、本発明の第１、第２の半導体レーザ素子は、光ガイド層に積極的にドーピングを実施し、光ガイド層の少なくとも一部のキャリア濃度を３．０×１０１７ｃｍ−３以上としたものである。
【００１６】
本明細書において、「第１導電型」及び「第２導電型」はｐ型又はｎ型に相当し、導電型の異なることを示している。
【００１７】
本発明の第１、第２の半導体レーザ素子において、第１導電型半導体基板としてはｎ−ＧａＡｓ基板、特に結晶構造が（１００）面から［１１１］方向に１０〜１５°傾斜したｎ−ＧａＡｓ基板が好ましく用いられる。第１導電型クラッド層の組成としてはｎ−Ｉｎｘ（Ａｌ１-ｙ１Ｇａｙ１)１−ｘＰ、量子井戸活性層の組成としてはＩｎＧａＰ及び／又はＩｎＡｌＧａＰ、光ガイド層の組成としてはＩｎｘ（Ａｌ１-ｙ２Ｇａｙ２)１−ｘＰが好ましい。式中、ｘ、ｙ１及びｙ２はＧａＡｓに格子整合する構成元素の組成比を示すもので、ｙ１＜ｙ２である。
【００１８】
本発明の第１、第２の半導体レーザ素子において、第１導電型電極は第１導電型クラッド層の下方（第２導電型電極とは反対側）に形成されていればよいので、第１導電型電極と第２導電型電極とは半導体基板の異なる面に形成されてもよく、同一面に形成されていてもよい。
【００１９】
本発明者はまた、光ガイド層のキャリア濃度がある範囲を超えると素子寿命が低下する傾向にあることを見出している。意図的に光ガイド層にドーパントを添加する場合にも一部のドーパントは格子間原子となるため、その量がある範囲を超えると非発光再結合中心の発生割合が高くなり、素子寿命が低下すると推察される。
【００２０】
本発明の第１、第２の半導体レーザ素子において、前記第１導電型がｎ型、前記第２導電型がｐ型、前記ドーパントがＺｎの場合、前記光ガイド層における前記ドーパントの含有部分のキャリア濃度が２．０×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００２１】
本発明の第１の半導体レーザ素子においては、前記第１導電型がｎ型、前記第２導電型がｐ型、前記ドーパントがｐ型ドーパントである場合、前記第１導電型クラッド層の少なくとも一部が、キャリア濃度２．０×１０１６〜２．０×１０１８ｃｍ−３の前記ドーパントを含むものとなる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の第１、第２のＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子は、光ガイド層の少なくとも一部がキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含む構成としているので、素子抵抗（電気抵抗や熱抵抗）が低減され、低電圧駆動可能で動作時の発熱が抑えられ、信頼性に優れたものとなる。
【００２３】
本発明によれば、ＰＯＦ通信用として想定される動作出力５ｍＷ程度の比較的低出力の動作条件であれば、光ガイド層にドーピングを行っても充分な高寿命性を確保でき、光ガイド層にドーピングを実施しない従来の素子よりも高寿命なＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子を提供することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図面を参照して、本発明に係る実施形態のＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子の構造を説明する。図１は半導体レーザ素子の概略断面図である。本実施形態は、レーザ素子駆動時の発振波長が６５０〜６７０ｎｍの範囲内（プラスチック光ファイバの低損失波長域に相当）にある半導体レーザ素子である。
【００２５】
半導体レーザ素子１は、ｎ型（第１導電型）半導体基板１０の一方の面（上面）に、半導体基板１０側から上方に半導体活性層３０と半導体活性層３０の特定領域に電流を注入するための電流狭窄部５０とｐ型（第２導電型）コンタクト層６０とｐ型電極７２とを順次有し、半導体基板１０の他方の面（下面）にｎ型電極７１を有する素子である。半導体活性層３０はｎ型クラッド層２０及びｐ型クラッド層５１に挟まれており、これら２つのクラッド層のうちｐ型クラッド層５１は電流狭窄部５０の一部をなしている。
【００２６】
半導体基板１０はｎ−ＧａＡｓからなり、結晶構造が（１００）面から［１１１］方向に１０〜１５°傾斜したオフ基板が好ましく用いられる。ｎ型クラッド層２０はｎ型バッファ層１１を介して半導体基板１０上に形成されている。ｎ型クラッド層２０の組成はｎ−Ｉｎ０．４９(Ａｌ０．７Ｇａ０．３)０．５１Ｐであり、ｎ型バッファ層１１の組成はｎ−ＧａＡｓである。
【００２７】
半導体活性層３０は、半導体基板１０側から第１の光ガイド層３１／ｉ型量子井戸活性層３２／第２の光ガイド層３３の積層構造からなる。第１の光ガイド層３１はｎ型クラッド層２０よりもバンドギャップの小さい層であり、その組成はｐ−Ｉｎ０．４９(Ａｌ０．５Ｇａ０．５) ０．５１Ｐである。ｉ型量子井戸活性層３２の組成はＩｎＧａＰ及び／又はＩｎＡｌＧａＰであり、ｉ型量子井戸活性層３２は好ましくはｉ−ＩｎＧａＰ量子井戸層及びｉ−ＡｌＧａＩｎＰ障壁層からなる多重量子井戸活性層からなる。量子井戸活性層３２は、無歪活性層であってもよいし圧縮歪を有する歪活性層であってもよい。第２の光ガイド層３３は量子井戸活性層３２よりもバンドギャップの大きい層であり、その組成はｐ−Ｉｎ０．４９(Ａｌ０．５Ｇａ０．５) ０．５１Ｐである。
【００２８】
本実施形態において、第１の光ガイド層３１及び第２の光ガイド層３３にはドーピングが実施されており、各光ガイド層３１、３３の少なくとも一部がキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上、好ましくは５．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含んでいる。従来は光ガイド層にドーピングは行われておらず、本実施形態では光ガイド層３１、３３に上記濃度でドーピングが実施されていることが特徴的である。光ガイド層３１、３３にドーピングするドーパントとしては、ｐ型（ＺｎやＭｇ等）とｎ型（Ｓｉ等）のいずれでもよい。光ガイド層３１と光ガイド層３３とで異なるドーパントを用いてもよく、同じ光ガイド層に対して複数のドーパントをドーピングすることも差し支えない。
【００２９】
本発明者は、光ガイド層３１、３３のキャリア濃度を３．０×１０１７ｃｍ−３以上、好ましくは５．０×１０１７ｃｍ−３以上とすることで、素子抵抗が良好に低減され、従来よりも高寿命な（例えば推定寿命３万時間以上の）半導体レーザ素子１が得られることを見出している。
【００３０】
本発明者は、光ガイド層３１、３３のキャリア濃度にはドーパントの種類によって好適な上限があり、キャリア濃度がある範囲を超えると素子特性が劣化し低寿命化することを見出している。本発明者は、例えばｐ型ドーパントとしてＺｎを用いる場合、各光ガイド層３１、３３におけるｐ型ドーパントの含有部分のキャリア濃度を２．０×１０１８ｃｍ−３以下とすることで、従来よりも高寿命な半導体レーザ素子１が得られることを見出している。ＭｇやＳｉはＺｎに比してキャリアとしての活性化率が大きいことから、許容されるキャリア濃度の上限はＺｎの場合よりも大きくなる。
【００３１】
本実施形態では、光ガイド層３１、３３にドーパントがドーピングされているので、光ガイド層３１に隣接するｎ型クラッド層２０にも光ガイド層３１にドーピングされたドーパントの一部が拡散する。光ガイド層３１にｐ型ドーパントをドーピングする場合、ｎ型クラッド層２０は、少なくとも一部が光ガイド層３１にドーピングしたｐ型ドーパントをキャリア濃度２．０×１０１６〜２．０×１０１８ｃｍ−３で含むものとなる。本発明者はこの範囲のｐ型キャリア濃度であれば、ｎ型クラッド層２０として問題のないレベルであり、寿命に影響を与えないことを確認している。
【００３２】
電流狭窄部５０は、第１のｐ型クラッド層５１と、この上に電流狭窄用開口部５３ａを有して形成されたｎ型電流阻止層５３と、電流狭窄用開口部５３ａ内に形成された第２のｐ型クラッド層５４との逆バイアス構造を有するものである。第１のｐ型クラッド層５１とｎ型電流阻止層５３との間にはｐ型エッチングストップ層５２が形成されている。
【００３３】
本実施形態では、第２のｐ型クラッド層５４の上にｐ型ヘテロバッファ層５５とｐ型キャップ層５６とが積層されている。これらの層５４〜５６は、電流阻止層５３の電流狭窄用開口部５３ａ内にのみ形成されており、下地であるエッチングストップ層５２から突出したリッジ構造部５７をなしている。
【００３４】
電流狭窄部５０は、上記の如く、第１のｐ型クラッド層５１とエッチングストップ層５２とｎ型電流阻止層５３と第２のｐ型クラッド層５４とｐ型ヘテロバッファ層５５とｐ型キャップ層５６とから構成されている。電流狭窄部５０においては、電流狭窄用開口部５３ａ内に埋め込まれたリッジ構造の第２のｐ型クラッド層５４内に選択的に電流が流れて、第２のｐ型クラッド層５４の下方に位置する半導体活性層３０の特定領域３０ａに選択的に電流が注入されるようになっている。以降、この特定領域３０ａを電流注入領域と称す。
【００３５】
本実施形態において電流注入領域３０ａは、レーザ共振器軸方向に平面視帯状に延びており、電流注入領域３０ａの形状に沿って第２のｐ型クラッド層５４とｐ型ヘテロバッファ層５５とｐ型キャップ層５６とが同様の形状（メサ帯状）で形成されている。
【００３６】
第１のｐ型クラッド層５１の組成はｐ−Ｉｎ０．４９(Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５１Ｐ、ｐ型エッチングストップ層５２の組成はｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ、ｎ型電流阻止層５３の組成はｎ−ＧａＡｓ、第２のｐ型クラッド層５４の組成はｐ−Ｉｎ０．４９(Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５１Ｐ、ｐ型ヘテロバッファ層５５の組成はｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ、ｐ型キャップ層５６の組成はｐ−ＧａＡｓである。
【００３７】
第１のｐ型クラッド層５１の結晶成長中若しくはその後の熱処理プロセスにおいて、第１のｐ型クラッド層５１中のｐ型ドーパントの第２の光ガイド層３３及び量子井戸活性層３２への拡散を防止するために、第１のｐ型クラッド層５１を成膜する際には、その半導体活性層３０の近傍部分をノンド−プ又はキャリア濃度が低い拡散防止層としておくことが好ましい。この拡散防止層の厚みは、素子製造後には第２の光ガイド層３３とｐ型クラッド層５１との間にノンドープ領域又はキャリア濃度が低い領域が残らない程度とすることが好ましい。
【００３８】
電流狭窄部５０上に、ｐ−ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層６０とｐ型電極７２とが順次積層されている。
【００３９】
本実施形態の半導体レーザ素子１は以上のように構成されている。
【００４０】
本実施形態のＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子１は、第１の光ガイド層３１及び第２の光ガイド層３３が各々少なくとも一部にキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上、好ましくは５．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含む構成としているので、素子抵抗（電気抵抗や熱抵抗）が低減され、低電圧駆動可能で動作時の発熱が抑えられ、信頼性に優れたものとなる。
【００４１】
本実施形態によれば、ＰＯＦ通信用として想定される動作出力５ｍＷ程度の比較的低出力の動作条件であれば、光ガイド層３１、３３にドーピングを行っても充分な高寿命性を確保でき、光ガイド層３１、３３にドーピングを実施しない従来の素子よりも高寿命なＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子１を提供することも可能である。
【００４２】
光ガイド層３１、３３にＺｎをドーピングする場合、光ガイド層３１、３３におけるｐ型ドーパントの含有部分のキャリア濃度を３．０×１０１７ｃｍ−３以上２．０×１０１８ｃｍ−３以下とすることが特に好ましい。かかる構成によって、素子抵抗（電気抵抗や熱抵抗）が低減されて信頼性に優れ、しかも従来の素子よりも高寿命なＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子１を提供することができる。
【００４３】
（設計変更）
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更できる。
【００４４】
例えば、上記実施形態では、光ガイド層３１、３３の双方が少なくとも一部にキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含む構成としているが、少なくとも一方の光ガイド層が少なくとも一部にキャリア濃度３．０×１０１７ｃｍ−３以上のドーパントを含む構成とすれば、充分な高寿命性を確保しつつ素子抵抗の低減効果が得られる。
【００４５】
また、層構造や電流狭窄構造、各層の組成等は適宜設計変更可能である。上記実施形態では、ロスガイド型半導体レーザ素子を例として挙げたが、本発明は実屈折率導波型半導体レーザ素子、利得導波型半導体レーザ素子、回折格子付き半導体レーザ素子など、いかなるタイプのＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子にも適用可能である。また、基本横モードで発振する半導体レーザ素子について述べたが、多モード発振する幅広ストライプの半導体レーザ素子にも適用可能である。一次元バーレーザ素子だけでなく、二次元アレイレーザ素子にも適用可能である。
【００４６】
ｎ型電極７１を、半導体基板１０の下面（ｐ型電極７２の形成側と反対側）に形成した場合についてのみ説明したが、ｎ型電極７１の形成箇所はｎ型クラッド層２０の下方であれば、半導体基板１０の上面であってもよい。
【００４７】
半導体基板１０がｎ型の場合についてのみ説明したが、半導体基板１０としてｐ型基板を用いることもできる。その場合、半導体レーザ素子１のｐ型の層をｎ型とし、ｎ型の層をｐ型とすればよい。
【実施例】
【００４８】
（実施例１）
（半導体レーザ素子の製造）
第１の光ガイド層３１及び第２の光ガイド層３３のキャリア濃度を変え、それ以外の条件は同一として、上記実施形態のＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子を複数製造した。光ガイド層３１、３３にはｐ型ドーパントであるＺｎをドーピングし、第１の光ガイド層３１と第２の光ガイド層３３のキャリア濃度は同一とした。
【００４９】
結晶成長は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）により実施した。原料ガスとしては、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）／ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）／ＴＭＩ（トリメチルインジウム）／ＡｓＨ３（アルシン）／ＰＨ３（ホスフィン）を用いた。ｎ型ド−パント源としてはＳｉＨ４（シラン）、ｐ型ド−パント源としてはＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を用いた。
【００５０】
半導体基板１０として、結晶構造が（１００）面から［１１１］方向に１０〜１５°傾斜したｎ−ＧａＡｓ基板を用いた。結晶成長温度６８５〜７３５℃／圧力１０．３ｋＰａの条件で１回目の結晶成長を実施し、ｎ型バッファ層１１（０．２μｍ厚、キャリア濃度２．０×１０１８ｃｍ−３）、ｎ型クラッド層２０（１．２μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３）、第１のｐ型光ガイド層３１（０．０８ｎｍ厚）、ＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層３２、第２のｐ型光ガイド層３３（０．０８ｎｍ厚）、第１のｐ型クラッド層５１（０．２μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型エッチングストップ層５２（１０ｎｍ厚、キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３）、第２のｐ型クラッド層５４（１．０μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型ヘテロバッファ層５５（０．５μｍ厚、キャリア濃度５．０×１０１８ｃｍ−３）、及びｐ型キャップ層５６（０．２μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０１９ｃｍ−３）を順次成膜した。
【００５１】
次に、誘電体マスクであるＳｉＯ２選択成長マスクを形成し、第２のｐ型クラッド層５４とｐ型ヘテロバッファ層５５とｐ型キャップ層５６とをエッチングして、メサ帯状のリッジ構造部５７を形成した。
【００５２】
次に、上記ＳｉＯ２マスクを用いた選択成長法により２回目の結晶成長を実施し、ｐ型エッチングストップ層５２上であってリッジ構造部５７の非形成領域に、ｎ型電流阻止層５３（１.３μｍ厚、キャリア濃度５．０×１０１８ｃｍ−３）を成膜した。
【００５３】
上記ＳｉＯ２マスクを除去した後３回目の結晶成長を実施し、リッジ構造部５７及びｎ型電流阻止層５３の全面に、ｐ型コンタクト層６０（２．０μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０１９ｃｍ−３）を成膜した。
【００５４】
その後全体の厚みが１００μｍ程度になるまで半導体基板１０を研磨し、蒸着及び熱処理により裏面側にｎ型電極７１を形成し、同様の方法でｐ型コンタクト層６０上にｐ型電極７２を形成した。
【００５５】
最後に、劈開により共振器長０．５〜１．５ｍｍのレーザバーを切り出し、共振器面に低反射率及び高反射率の光学膜のコ−ティングを行い、劈開によりチップ化してロスガイドシングルモードのＩｎＡｌＧａＰ系半導体レ−ザ素子を製造した。
【００５６】
（評価）
＜推定寿命＞  ＡＰＣ駆動（Automatic Power Control）、５０℃／５ｍＷ出力の条件で寿命試験を行い、駆動電流値が初期状態から１．２倍に達する時間を推定寿命として求めた。
【００５７】
＜キャリア濃度＞  光ガイド層３１、３３のキャリア濃度をＳＩＭＳ（二次イオン質量）分析法により求めた。
【００５８】
（結果）  
実施例１で製造した半導体レ−ザ素子の評価結果を図２に示す。図２は光ガイド層のキャリア濃度と推定素子寿命との関係を示す図である。
【００５９】
ドーピングを実施しない従来の光ガイド層ではキャリア濃度は５．０×１０１６ｃｍ−３以下（現状の検出限界以下）である。市販の６５０〜６７０ｎｍ帯の低出力ＩｎＡｌＧａＰ系半導体レーザ素子について、実施例と同様に測定した推定寿命は約０．５〜１万時間であった（比較例）。
【００６０】
図２に示すように、実施例１では２．０×１０１７〜３．０×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度のｐ型光ガイド層３１、３３を有する半導体レーザ素子が製造された。「背景技術」の項で述べたように、従来は光ガイド層のキャリア濃度が高くなる程素子寿命は低下すると考えられていたが（特許文献２）、ある濃度範囲内であれば、従来の常識とは逆に光ガイド層のキャリア濃度が高くなる程素子寿命は延びるという結果が得られた。
【００６１】
具体的には、光ガイド層にＺｎをドーピングした実施例１では、光ガイド層のキャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３の時に素子寿命が最も長く、キャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３から離れるにつれて素子寿命が相対的に低下する結果が得られた。
【００６２】
光ガイド層にドーピングを実施しない従来の半導体レーザ素子の推定寿命は約０．５〜１万時間であることを述べたが、光ガイド層のキャリア濃度が３．０×１０１７ｃｍ−３以上２．０×１０１８ｃｍ−３以下の範囲内で、従来の半導体レーザ素子の推定寿命よりも高寿命（推定寿命３万時間以上）の素子が得られている。特に、光ガイド層のキャリア濃度が５．０×１０１７ｃｍ−３以上２．０×１０１８ｃｍ−３以下の範囲内で、推定寿命７万時間以上の高寿命素子が得られている。
【００６３】
光ガイド層のキャリア濃度が３．０×１０１７ｃｍ−３未満では、キャリア濃度が低くなる程素子抵抗が高くなり、これが素子特性の劣化に繋がっていると推察される。また、光ガイド層のキャリア濃度が２．０×１０１８ｃｍ−３超では、非発光再結合中心を形成する格子間原子の量が多くなり、これが素子特性の劣化に繋がっていると推察される。なお、良好な結果が得られるキャリア濃度の下限（３．０×１０１７ｃｍ−３）は他のドーパントを用いる場合も同様であるが、良好な結果が得られるキャリア濃度の上限はドーパントのキャリアとしての活性化率によって異なる。
【００６４】
（実施例２）
本発明者は１回目の結晶成長温度を７００℃に固定し、２回目と３回目の結晶成長温度を６００〜７００℃の範囲内で変えて、実施例１と同様に半導体レーザ素子を製造した。第１の光ガイド層３１及び第２の光ガイド層３３のキャリア濃度は２．０×１０１８ｃｍ−３とした。
【００６５】
得られた半導体レーザ素子におけるｎ型クラッド層２０のｐ型キャリア濃度をＳＩＭＳ（二次イオン質量）分析法により求めた。ｎ型クラッド層２０には光ガイド層３１からｐ型ドーパントが拡散しており、２回目及び３回目の結晶成長温度が高くなる程ｎ型クラッド層２０におけるｐ型キャリア濃度は高くなる傾向にあった。ｐ型ドーパント含有部分のｐ型キャリア濃度は２．０×１０１６〜２．０×１０１８ｃｍ−３の範囲内であった。
【００６６】
得られた半導体レーザ素子について実施例１と同様に推定寿命を測定した。ｎ型クラッド層２０のｐ型キャリア濃度が上記範囲内で５〜１０ｍＷの低出力動作では、ｎ型クラッド層２０のｐ型キャリア濃度によって推定寿命が大きく変化することはなく、得られた半導体レーザ素子はすべて推定寿命７万時間以上の高寿命素子であった。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の半導体レーザ素子は、光ファイバ通信、情報／画像処理、計測、医療、印刷等の分野で用いられる光源として好ましく利用できる。特に光ファイバ通信の光源等として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る実施形態の半導体レ−ザ素子の構造を示す概略断面図
【図２】本発明に係る実施例１の評価結果を示す図
【符号の説明】
【００６９】
１  半導体レーザ素子
１０  ｎ型半導体基板（第１導電型半導体基板）
２０  ｎ型クラッド層（第１導電型クラッド層）
３０  半導体活性層
３０ａ  半導体活性層の電流注入領域
３１  第１の光ガイド層
３２  ｉ型量子井戸活性層
３３  第２の光ガイド層
５１、５４  ｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）
５７  リッジ構造部
６０  ｐ型コンタクト層（第２導電型コンタクト層）
７１  ｎ型電極（第１導電型電極）
７２  ｐ型電極（第２導電型電極）
【図１】
2006269568.tif 000003
【図２】
2006269568.tif 000004